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摘 要：随着船舶应用技术的发展，新的技术层出不穷。本文提出了一种基于分布式总线技术的船舶防火监控与报警系统，对系统的结构进行了设计，并分析了CAN协议，在此基础上设计了CAN总线模块，以提高我国船舶消防技术的综合实力。
关键词：CAN总线；防火监控；报警系统
船舶火灾是船舶在航运过程中时有发生且危险性大的安全事故。火灾发生时，难以得到外援，只能依靠船员和船上的灭火设备，扑灭难度远大于陆地火灾。因此，及早发现火警并及时采取扑救措施就显得十分重要。船舶机舱监控报警系统是电气自动化的一个重要组成部分，它能准确可靠地监测船舶机舱内各种机械设备的状态及参数，若有故障发生，系统会自动发出声光报警。近年来，随着计算机技术、网络通信技术、自动控制技术等的不断发展，机舱监控报警系统在智能化、信息化、集成化方面的要求也越来越高。下面，提出一种基于CAN总线的船舶火灾监控与报警系统。
1. CAN总线
1.1 CAN总线简介
CAN总线是一种非常常用的现场总线技术，现场总线是一种能够实现工业现场多种设备之间的数据交换的技术，现场的设备我们称之为节点，所有的节点均在现场总线上，最终形成一种互相联通的结构[1]。
CAN总线技术，全称为“控制器局域网总线技术（Controller Area Network-BUS）。CAN总线以双绞线将船舶各个位置的传感器或者设备进行连接，使用串行通信的方法进行数据传送，数据传输的速度可以达到1M/s。在CAN总线网络中，每一个设备都具有独立、唯一的标识符，主机向某一个设备传输数据时是向总线网络内所有的设备进行数据广播，所有的设备都处于数据待接收状态，报文发出后，所有的设备都接收到目标数据，这些目标数据包括了地址信息以及数据信息，因而设备会判断这些数据是否是发送给自己的，只有地址符合才会读取报文中的数据。CAN总线可以实现不同节点之间的自由通信，因而可以非常方便地构建船舶分布式监控系统，特别是对于大型船舶的防火监控，由于大型船舶体积大、设备多，因而需要监控的区域也非常多。使用分布式总线可以很好地解决这一问题。同时，CAN总线还采用了总线仲裁技术，不同的监控节点根据其重要性不同可以设置不同的优先级，在多个节点同时发送信号时CAN总线会根据优先级的不同对数据进行接收，优先级高的数据会优先传送。
CAN总线由于采用了串行通信的方法，和外部连接的线只有2根，CAN_High线和CAN_Low线，在物理连接上非常简单，内部还具备错误处理机制，因而非常稳定。图1所示为CAN_High线和CAN_Low线在正常状态下和信号传输状态下的电压值，浅色线为CAN_High，深色线为CAN_Low，可以发现，正常状态下两者之间均为2.5V，但是在信号传输时CAN_High变为3.5V，CAN_Low变为1.5V。1.2CAN协议目前CAN协议的报文有2种，在监控节点将报文打包后可以选择一种报文进行数据发送。2种报文分别为扩展帧和标准帧，分别包含29位数据和11位数据。如图2所示分别为扩展帧和标准帧的报文结构。
2.船舶防火与监控系统
2.1系统功能设计
船舶防火监控与报警系统是船舶自动化系统的重要组成部分，是保障船舶航行安全的必要条件。系统主要实现如下功能[2]：
（1）实现对船舶重要区域的防火监控；
（2）在发现火灾后发出声光报警。
系统的结构如图3所示。系统以工业计算机为中心，主机安装在驾驶室，集控室、驾驶台和餐厅等重要位置会安装有分显器，另外在船舶多个位置设置声光报警，使之在发生火灾后能够及时通知船员。烟雾传感器、温度传感器等将信号传输到CAN总线模块，CAN总线模块包括CAN驱动、嵌入式CPU以及CAN收发器，采集的传感器信号不能直接传输到驾驶室及报警分显装置的显示屏，CAN总线模块将这些数据进行A/D转换后，将其打包成标准帧通过CAN总线传输出去。
2.2 CAN总线通信模块设计
本文的CAN总线通信模块使用STM32单片机进行设计，模块具备多路A/D转换接口，可以同时对4个传感器的A/D信号进行转换。同时为了调试方便，设计USB转CAN总线接口，可以直接从电脑上发送数据传输到CAN总线。
由于单个CAN总线模块一般只能监控10个左右的传感器，因而在实际使用中需要根据船舶的大小布置数量不等的CAN总线模块，既可以实现对全船的火灾监控，又可以实现报警功能。图4所示为CAN总线模块核心板实物图。
对设计完成的CAN总线通信模块进行测试，可以将其作为一个黑盒子进行测试工作。使用NI6250板卡，在上位机中使用Labview编写好相应程序，在下位机中编写程序，实现将接收的数据发送到上位机，然后进行反复测试[4]。
测试的步骤为：在Labview中发送一串数据，CAN总线模块在接收到数据后不进行处理直接发回到上位机，Labview将发送的数据和接收到的数据同时进行显示，并将2组数据进行对比。另外，对模块工作的稳定性进行测试，反复发送同一串数据，观察返回的数据值是否稳定。
经过测试发现，系统软件设计的主要功能是火灾报警控制器与消防中心的通信。火灾报警控制器将火灾信号通过CANBUS传送到消防中心，消防中心接收到信号后启动相应的联动设备和显示设备。CAN接收和发送数据一般都是在CAN中断程序中实现的，每一帧的数据长度为≤8个字节。如果发送或接收错误，CANBUS具有错误检测能力，在所有节点发生的错误可100%被检测到。本文设计的CAN总线通信模块可以完成既定功能，同时具有良好的稳定性。使用火灾传感器数据进行测试发现系统亦可以稳定工作。因而，CAN总线通信模块可以实现在船舶上对火灾传感器信号的采集和传输。
3.结语
总之，鉴于船舶火灾的复杂性及特殊性，有关船舶火灾的早期预警、报警等一直是国内外船舶制造业、科研院所重点关注的热点课题。测试结果表明，使用先进的分布式总线技术，结合烟雾传感器、温度传感器等现场信号，并使用摄像头对易于发生火灾的船舶重点区域进行监控，具有良好的准确性和稳定性，可靠性高、实时性强，功能全面，能够满足实际工程的应用要求。因此，本研究结果可以为其他研究人员提供一些借鉴。
参考文献：
[1]韩小东. 基于CAN总线的船舶机舱监控报警系统的研究[D]. 大连海事大学， 2016.
[2]刘荣进. 船舶防火监控系统的研究与设计[D]. 江苏大学， 2016.
[3]王德龍. 基于嵌入式的船舶电站网络监控系统设计[D]. 大连海事大学， 2016.
[4]树芳芳. 基于CAN总线的船舶监测报警系统[J]. 中国水运（下半月）， 2015， 15（6）：38-39.
关键词：CAN总线；防火监控；报警系统
船舶火灾是船舶在航运过程中时有发生且危险性大的安全事故。火灾发生时，难以得到外援，只能依靠船员和船上的灭火设备，扑灭难度远大于陆地火灾。因此，及早发现火警并及时采取扑救措施就显得十分重要。船舶机舱监控报警系统是电气自动化的一个重要组成部分，它能准确可靠地监测船舶机舱内各种机械设备的状态及参数，若有故障发生，系统会自动发出声光报警。近年来，随着计算机技术、网络通信技术、自动控制技术等的不断发展，机舱监控报警系统在智能化、信息化、集成化方面的要求也越来越高。下面，提出一种基于CAN总线的船舶火灾监控与报警系统。
1. CAN总线
1.1 CAN总线简介
CAN总线是一种非常常用的现场总线技术，现场总线是一种能够实现工业现场多种设备之间的数据交换的技术，现场的设备我们称之为节点，所有的节点均在现场总线上，最终形成一种互相联通的结构[1]。
CAN总线技术，全称为“控制器局域网总线技术（Controller Area Network-BUS）。CAN总线以双绞线将船舶各个位置的传感器或者设备进行连接，使用串行通信的方法进行数据传送，数据传输的速度可以达到1M/s。在CAN总线网络中，每一个设备都具有独立、唯一的标识符，主机向某一个设备传输数据时是向总线网络内所有的设备进行数据广播，所有的设备都处于数据待接收状态，报文发出后，所有的设备都接收到目标数据，这些目标数据包括了地址信息以及数据信息，因而设备会判断这些数据是否是发送给自己的，只有地址符合才会读取报文中的数据。CAN总线可以实现不同节点之间的自由通信，因而可以非常方便地构建船舶分布式监控系统，特别是对于大型船舶的防火监控，由于大型船舶体积大、设备多，因而需要监控的区域也非常多。使用分布式总线可以很好地解决这一问题。同时，CAN总线还采用了总线仲裁技术，不同的监控节点根据其重要性不同可以设置不同的优先级，在多个节点同时发送信号时CAN总线会根据优先级的不同对数据进行接收，优先级高的数据会优先传送。
CAN总线由于采用了串行通信的方法，和外部连接的线只有2根，CAN_High线和CAN_Low线，在物理连接上非常简单，内部还具备错误处理机制，因而非常稳定。图1所示为CAN_High线和CAN_Low线在正常状态下和信号传输状态下的电压值，浅色线为CAN_High，深色线为CAN_Low，可以发现，正常状态下两者之间均为2.5V，但是在信号传输时CAN_High变为3.5V，CAN_Low变为1.5V。1.2CAN协议目前CAN协议的报文有2种，在监控节点将报文打包后可以选择一种报文进行数据发送。2种报文分别为扩展帧和标准帧，分别包含29位数据和11位数据。如图2所示分别为扩展帧和标准帧的报文结构。
2.船舶防火与监控系统
2.1系统功能设计
船舶防火监控与报警系统是船舶自动化系统的重要组成部分，是保障船舶航行安全的必要条件。系统主要实现如下功能[2]：
（1）实现对船舶重要区域的防火监控；
（2）在发现火灾后发出声光报警。
系统的结构如图3所示。系统以工业计算机为中心，主机安装在驾驶室，集控室、驾驶台和餐厅等重要位置会安装有分显器，另外在船舶多个位置设置声光报警，使之在发生火灾后能够及时通知船员。烟雾传感器、温度传感器等将信号传输到CAN总线模块，CAN总线模块包括CAN驱动、嵌入式CPU以及CAN收发器，采集的传感器信号不能直接传输到驾驶室及报警分显装置的显示屏，CAN总线模块将这些数据进行A/D转换后，将其打包成标准帧通过CAN总线传输出去。
2.2 CAN总线通信模块设计
本文的CAN总线通信模块使用STM32单片机进行设计，模块具备多路A/D转换接口，可以同时对4个传感器的A/D信号进行转换。同时为了调试方便，设计USB转CAN总线接口，可以直接从电脑上发送数据传输到CAN总线。
由于单个CAN总线模块一般只能监控10个左右的传感器，因而在实际使用中需要根据船舶的大小布置数量不等的CAN总线模块，既可以实现对全船的火灾监控，又可以实现报警功能。图4所示为CAN总线模块核心板实物图。
对设计完成的CAN总线通信模块进行测试，可以将其作为一个黑盒子进行测试工作。使用NI6250板卡，在上位机中使用Labview编写好相应程序，在下位机中编写程序，实现将接收的数据发送到上位机，然后进行反复测试[4]。
测试的步骤为：在Labview中发送一串数据，CAN总线模块在接收到数据后不进行处理直接发回到上位机，Labview将发送的数据和接收到的数据同时进行显示，并将2组数据进行对比。另外，对模块工作的稳定性进行测试，反复发送同一串数据，观察返回的数据值是否稳定。
经过测试发现，系统软件设计的主要功能是火灾报警控制器与消防中心的通信。火灾报警控制器将火灾信号通过CANBUS传送到消防中心，消防中心接收到信号后启动相应的联动设备和显示设备。CAN接收和发送数据一般都是在CAN中断程序中实现的，每一帧的数据长度为≤8个字节。如果发送或接收错误，CANBUS具有错误检测能力，在所有节点发生的错误可100%被检测到。本文设计的CAN总线通信模块可以完成既定功能，同时具有良好的稳定性。使用火灾传感器数据进行测试发现系统亦可以稳定工作。因而，CAN总线通信模块可以实现在船舶上对火灾传感器信号的采集和传输。
3.结语
总之，鉴于船舶火灾的复杂性及特殊性，有关船舶火灾的早期预警、报警等一直是国内外船舶制造业、科研院所重点关注的热点课题。测试结果表明，使用先进的分布式总线技术，结合烟雾传感器、温度传感器等现场信号，并使用摄像头对易于发生火灾的船舶重点区域进行监控，具有良好的准确性和稳定性，可靠性高、实时性强，功能全面，能够满足实际工程的应用要求。因此，本研究结果可以为其他研究人员提供一些借鉴。
参考文献：
[1]韩小东. 基于CAN总线的船舶机舱监控报警系统的研究[D]. 大连海事大学， 2016.
[2]刘荣进. 船舶防火监控系统的研究与设计[D]. 江苏大学， 2016.
[3]王德龍. 基于嵌入式的船舶电站网络监控系统设计[D]. 大连海事大学， 2016.
[4]树芳芳. 基于CAN总线的船舶监测报警系统[J]. 中国水运（下半月）， 2015， 15（6）：38-39.